DE102005032863A1

DE102005032863A1 - microactuator

Info

Publication number: DE102005032863A1
Application number: DE200510032863
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Dürr; Jan Dr. Schmidt; Andreas Dr. Gehner; Detlef Dr. Kunze
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2005-07-11
Filing date: 2005-07-11
Publication date: 2007-01-18
Also published as: WO2007006299A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Mikroaktuatoren mit einem durch Kraftwirkung auslenkbaren Element, die für viele Anwendungen einsetzbar sind. Es solle gemäß der gestellten Aufgabe eine erhöhte Auslenkung innerhalb eines zur Verfügung stehenden Spaltes und/oder die Verringerung der für die Auslenkung erforderlichen Leistung bei guter Einhaltbarkeit jeweils gewünschter Auslenkbewegungen und -positionen erreicht werden. Der erfindungsgemäße Mikroaktuator weist hierfür ein oder mehrere Rückstellelemente mit zumindest bereichsweise progressiv, bevorzugt überproportional, steigender Rückstellkraftkennlinie auf.The invention relates to microactuators with an element which can be deflected by the action of a force and which can be used for many applications. According to the task at hand, an increased deflection within an available gap and / or a reduction in the power required for the deflection should be achieved while maintaining the desired deflection movements and positions in each case. For this purpose, the microactuator according to the invention has one or more restoring elements with at least regionally progressively, preferably disproportionately, increasing restoring force characteristic.

Description

Die Erfindung betrifft Mikroaktuatoren, die vielfältig, z.B. als Flächenlichtmodulator, Scannerspiegel, optische Kreuzverbinder, Mikroventile, Mikroschalter, Mikropumpen u.a. ausgebildet sein können und dann auch einen geringen Raumbedarf erforderlich machend in großer Anzahl in Arrayform angeordnet werden können. Ein einzelner Mikroaktuator hat dabei Abmessungen die kleiner als 1 mm sein können.The The invention relates to microactuators which are versatile, e.g. as area light modulator, Scanner mirrors, optical cross connectors, microvalves, microswitches, Micropumps, etc. can be trained and then a small Requires space required in large numbers in array form can be. A single microactuator has dimensions smaller than 1 mm can be.

An Mikroaktuatoren ist üblicherweise ein auslenkbares Element vorhanden, das elektrostatisch, magnetisch, elektromagnetisch, unter Ausnutzung piezoelektrischer Effekte aber auch durch thermische Ausdehnung definiert ausgelenkt werden kann.At Microactuators is common a deflectable element is present, which is electrostatic, magnetic, electromagnetically, taking advantage of piezoelectric effects but can also be deflected defined by thermal expansion.

Das Element kann dabei translatorisch bewegt und/oder um eine oder mehrere Achse(n) verschwenkt werden.The Element can be moved translationally and / or by one or more Axis (s) to be pivoted.

Die auslenkbaren Elemente von Mikroaktuatoren sind dabei üblicherweise mittels elastischer Rückstellelemente, bevorzugt Federn gehalten. Für die Auslenkung ist ein Spalt, vorgesehen, innerhalb dessen die Auslenkung erfolgen kann. Das zur Verfügung stehende Spaltmaß kann aber bei einer großen Klasse bekannter Lösungen lediglich zu einem kleinen Teil, in der Regel ca. 25%, ausgenutzt werden. Dies ist immer dann der Fall, wenn eine Auslenkung zumindest annähernd bzw. vollständig parallel zu einem Feld erfolgen soll.The deflectable elements of microactuators are usually by means of elastic return elements, preferably kept springs. For the deflection is a gap, provided within which the deflection can be done. The available standing gap can but at a big one Class of known solutions only a small part, usually about 25%, exploited become. This is always the case when a deflection at least nearly or completely parallel to a field.

Dies führt außerdem dazu, dass für die Ansteuerung der Auslenkung erhöhte Leistungen, insbesondere höhere elektrische Spannung und/oder Ströme erforderlich sind.This also leads to that for the control of the deflection increased power, in particular higher electrical voltage and / or currents are required.

Herkömmliche Mikroaktuatoren werden oft elektrostatisch bzw. elektromagnetisch betrieben. Die Auslenkung erfolgt in eine Richtung, gegen die Kraftwirkung elastischer Rückstellelemente, die an auslenkbaren Elementen angreifen. Häufig sind dies Federn. Die erreichbare Auslenkung kann mittels mechanischer Anschläge oder durch Einstellung eines meta-stabilen Kräftegleichgewichts in einer Position begrenzt bzw. eingestellt werden.conventional Microactuators often become electrostatic or electromagnetic operated. The deflection takes place in one direction, against the force effect elastic return elements, which attack at deflectable elements. Often these are feathers. The achievable deflection can by means of mechanical stops or by setting a meta-stable balance of forces in one Position can be limited or set.

Im Anschluß an die zur Auslenkung ausgeübte Kraftwirkung gelangt das auslenkbare Element in seine Ausgangsposition. Eine Begrenzung der Rückstellbewegung kann mit mechanischen Anschlägen erreicht werden.in the Connection to the one exerted for deflection Force action reaches the deflectable element in its starting position. A limitation of the return movement can with mechanical stops be achieved.

Bestimmte Auslenkpositionen können aber auch durch Einstellung eines meta-stabilen Kräftegleichgewichts in einer vorgebbaren Auslenkposition eingehalten werden. Dieses Kräftegleichgewicht wird aber bei größe ren Auslenkungen immer weniger stabil und die resultierende Auslenkposition immer ungenauer.Certain Deflection positions can but also by setting a meta-stable balance of power be maintained in a predetermined deflection position. This Balance of power But it is at larger ren distractions less and less stable and the resulting deflection position always inaccurate.

Bei häufig eingesetzten Parallel-Platten-Kondensator Aktuatoren, verschwindet beispielsweise die Stabilität des Kräftegleichgewichtes bereits bei 33% des zur Verfügung stehenden Spaltmaßes. Der für die Auslenkung nutzbare Teil des zur Verfügung stehenden Spaltmaßes liegt dabei unter Berücksichtigung des Sicherheitsaspektes entsprechend unterhalb von 25%. Dies führt zu einer erhöhten Baugröße und außerdem dazu, dass infolge des mindestens vierfach zu großen Spaltmaßes höhere elektrische Spannungen, ggf. elektrische Ströme zur Steuerung der Auslenkung erforderlich sind.at often inserted parallel plate capacitor actuators, disappears for example, the stability of balance of power already at 33% of the available standing gap. The for the deflection is usable part of the available gap dimension while taking into account the safety aspect below 25%. This leads to a increased Size and also to that due to the at least four times too large gap size higher electrical voltages, if necessary, electrical currents to control the deflection are required.

Zur Einhaltung des meta-stabilen Kräftegleichgewichts müssen entsprechend der jeweiligen Auslenkposition Kräfte auf das auszulenkende Element wirken. Dabei ist die elektrostatische Kraft proportional dem Quadrat der angelegten elektrischen Spannung geteilt durch den jeweiligen momentanen Plattenabstand zu Elektroden.to Compliance with the meta-stable balance of power have to according to the respective deflection position forces on the element to be deflected Act. The electrostatic force is proportional to the square the applied electrical voltage divided by the respective instantaneous plate distance to electrodes.

Bei konstanter elektrischer Spannung und erhöhter Auslenkung sowie verringertem Plattenabstand steigt die für die Auslenkung erforderliche Kraft umgekehrt zum Spaltmaß bei einer Auslenkung umgekehrt proportional unbegrenzt an.at constant electrical voltage and increased deflection as well as reduced Plate distance increases for the deflection required force inversely to the gap at a Deflection inversely proportional unlimited.

Dagegen steigt die Rückstellkraft der Aufhängung des auslenkbaren Elementes unter Berücksichtigung des Hooke'schen Gesetzes nur linear mit der jeweiligen Auslenkung und dadurch kann kein Kräfteausgleich bei großen Auslenkungen des Elementes erreicht werden. Dieser Effekt wird üblicherweise als „pull-in" be zeichnet.On the other hand the restoring force increases the suspension of the deflectable element taking into account Hooke's law only linear with the respective deflection and thus can not force balance at big Deflections of the element can be achieved. This effect is common as "pull-in" be distinguished.

In Tanaka, H. K.; u.a. „Large displacement control system beyond pull-in limitation"; Electrostatic Micro Cantilever"; IEEE 2002 wird zur Vermeidung des "pull-in" eine elektronische Steuerung vorgeschlagen. Dies macht den Einsatz eines Positionssensors und eine schnellere Regelung des Aktuatorantriebssignals, als dessen mechanische Reaktionszeit, erforderlich. Eine solche Lösung ist sehr komplex und für größere Arrays mit Aktuatoren nicht geeignet.In Tanaka, H.K .; et al "Large displacement control system beyond pull-in limitation "Electrostatic Micro Cantilever"; IEEE 2002 becomes to avoid the "pull-in" an electronic Control proposed. This makes the use of a position sensor and faster control of the actuator drive signal than its mechanical reaction time, required. Such a solution is very complex and for larger arrays not suitable with actuators.

In anderer Form wird bisher diesem Problem mit sogenannten „Kammantrieben" entgegengetreten, die elektrostatisch wirken. Dabei ist das elektrische Feld eines solchen „Kammantriebes" im wesentlich senkrecht zur Auslenkbewegung ausgerichtet. Im Gegensatz dazu ist die Ausrichtung des Feldes bei Parallel-Platten Aktuatoren parallel zur Auslenkbewegungsrichtung.In another form is so far countered this problem with so-called "comb drives", the act electrostatically. The electric field of such a "comb drive" is substantially perpendicular aligned to the deflection movement. In contrast, the alignment is of the field parallel-plate actuators parallel to Auslenkbewegungsrichtung.

Die Kraftkomponente in Richtung der Auslenkung eines „Kammantrieb" Aktuators wird durch die Streufelder erzeugt, die von der jeweiligen Auslenkung unbeeinflußt bleiben. Dadurch tritt eine wesentliche Erhöhung der für die Auslenkung erforderlichen Kraft erst kurz bevor die Spitzen der Kammfinger die Basis des gegenüberliegenden Kamms treffen auf. Der für die Auslenkung nutzbare Bereich kann größer als die Hälfte des Abstandes der Spitzen von Kammelementen und der gegenüberliegenden Kammbasis sein. Die elektrostatischen Kräfte sind proportional dem Quadrat der angelegten elektrischen Spannung: Die Auslenkung ist bei Einsatz von Federn mit linearer Kennlinie aber nicht linear.The Force component in the direction of the deflection of a "comb drive" actuator is through generates the stray fields, which are unaffected by the respective deflection. This results in a substantial increase in the required for the deflection Force just before the tips of the comb fingers the base of the opposite Kamms meet. The for The deflection usable area can be larger than half of the Distance of the tips of comb elements and the opposite Be comb base. The electrostatic forces are proportional to the square the applied electrical voltage: The deflection is in use of springs with linear characteristic but not linear.

Aus WO 03/073597 A1 ist die Verwendung gefalteter Federn mit mehreren Abschnitten bekannt, die jeweils eine feste Federkonstante für kleine Auslenkungen und schrittweise erhöhter Federkonstante für größere Auslenkungen erreichen.Out WO 03/073597 A1 is the use of folded springs with several Sections known, each having a fixed spring constant for small Deflections and gradually increased spring constant for larger deflections to reach.

Auch dies führt nicht zu einer vollständigen Linearität von Auslenkung und jeweiliger elektrischer Spannung bzw. wirkender Kraft. Der stabil für die Auslenkung nutzbare Bereich wird so nur unwesentlich vergrößert. Durch die schrittweise Erhöhung der Federkonstante ergibt sich ein komplizierter Rückstellkraftverlauf, der empfindlich von Herstellungsparametern abhängt. Insbesondere wenn eine hochpräzise Auslenkung gewünscht ist, wirken sich diese Sprünge negativ aus, da in bestimmten Auslenkungsbereichen bei sich sprunghaft wechselnder Federkonstante keine präzise Auslenkung erreichbar ist.Also this leads to not to a complete one linearity of deflection and respective electrical voltage or acting Force. The stable for the deflection usable range is thus only marginally increased. By the gradual increase the spring constant results in a complicated restoring force curve, which is sensitive to manufacturing parameters. Especially if one high-precision Deflection desired is, these jumps affect negative, because in certain deflection ranges in leaps and bounds changing spring constant no precise deflection achievable is.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung Mikroaktuatoren zur Verfügung zu stellen, die eine erhöhte Auslenkung innerhalb eines zur Verfügung stehenden Spaltes und/oder eine verringerte Leistung für die Auslenkung, bei guter Einhaltbarkeit jeweils gewünschter Auslenkbewegungen und -positionen, ermöglichen.It It is therefore an object of the invention to provide microactuators put, which increased one Deflection within an available gap and / or a reduced performance for the deflection, with good durability each desired Deflection movements and positions.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Mikroaktuator, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst.According to the invention this Task with a microactuator, which has the characteristics of the claim 1, solved.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.advantageous Embodiments and developments of the invention can with in the subordinate claims designated characteristics can be achieved.

Der erfindungsgemäße Mikroaktuator kann in vielen Punkten wie herkömmliche Mikroaktuatoren ausgebildet sein und auch so angetrieben werden. Dabei können die für die Auslenkung eines auslenkbaren Elementes er forderlichen Kräfte bevorzugt elektrostatisch oder elektromagnetisch, ggf. aber auch magnetisch aufgebracht werden, wobei im letztgenannten Fall eine Regelung der magnetischen Feldstärke durchführbar sein sollte.Of the microactuator according to the invention can be like traditional in many ways Microactuators be designed and also be driven. It can the for the deflection of a deflectable element he preferred forces required electrostatic or electromagnetic, but possibly also magnetic In the latter case, regulation of the magnetic field strength feasible should be.

Die Auslenkung des jeweiligen Elementes kann translatorisch oder rotatorisch oder einer Kombination dieser Bewegungen erfolgen. Es kann aber auch eine Verkippung erfolgen, insbesondere dann, wenn lediglich ein Rückstellelement an einem auslenkbaren Element angreift. In diesem Fall sind auslenkbare Elemente, die eine hohe Steifigkeit und Festigkeit, besonders im Vergleich zum jeweiligen Rückstellelement aufweisen, zu bevorzugen.The Deflection of the respective element can translational or rotational or a combination of these movements. But it can also a tilt, especially if only one Return element engages a deflectable element. In this case are deflectable Elements that have high rigidity and strength, especially in the Comparison to the respective return element have, to be preferred.

Das auslenkbare Element ist mittels mindestens eines elastischen Rückstellelementes, bevorzugt einer Feder gehalten. Erfindungswesentlich ist dabei zumindest bereichsweise die progressiv, bevorzugt überproportional mit der Auslenkung ansteigende Rückstellkraftkennlinie (Federkennlinie) bei steigender Auslenkung, so dass bei höheren Auslenkungen auch überproportional höhere Rückstellkräfte wirken. Bei kleineren Auslenkungen kann ein linearer Anstieg zugelassen sein.The deflectable element is by means of at least one elastic return element, preferably held a spring. Essential to the invention is at least partially progressive, preferably disproportionately with the deflection rising restoring force characteristic (Spring characteristic) with increasing deflection, so that at higher deflections also disproportionately higher Restoring forces act. For smaller deflections, a linear increase can be allowed be.

Vorteilhaft greifen zwei solcher Rückstellelemente an einem auszulenkenden Element an, die bevorzugt sich diametral gegenüberliegend an dem jeweiligen Element angreifen.Advantageous grab two such reset elements on an element to be deflected, which preferably is diametrically opposite attack on the respective element.

Rückstellelemente können dabei biegbar, verdehbar, dehnbar und/oder komprimierbar sein, wobei eine Auswahl unter Berücksichtigung der jeweils gewünschten Auslenkbewegung möglich ist. Ein oder mehrere Rückstellelement(e) können in unterschiedlicher Form, beispielsweise in zwei unterschiedlichen Moden verformbar sein.Restoring elements can be bendable, verdhbar, stretchable and / or compressible, with a Selection under consideration the respectively desired Deflection movement possible is. One or more restoring element (s) can in different forms, for example in two different ones Modes be deformable.

Werden mehr als ein solches Rückstellelement an einem auslenkbaren Element eingesetzt, sollten sie möglichst identisch sein, was insbesondere auf die Dimensionierung und die mechanischen Eigenschaften zutrifft.Become more than one such return element Used on a deflectable element, they should be as possible be identical, which in particular on the sizing and the mechanical properties.

Ein erfindungsgemäßer Mikroaktuator kann beispielsweise als Plan-Platten-Kondensator Aktuator ausgebildet und dabei das elektrische Feld im Wesentlichen parallel zur Richtung der Auslenkbewegung ausgerichtet sein.One Microactuator according to the invention can for example be designed as a plan-plate capacitor actuator and doing the electric field substantially parallel to the direction be aligned with the deflection movement.

Als Rückstellelemente können Stab- oder Blattfedern eingesetzt werden, die durch ihre Gestaltung den erfindungsgemäß gewünschten Federkraftverlauf in Abhängigkeit von der jeweiligen Auslenkung aufweisen.When Restoring elements can Rod or leaf springs are used by their design the desired according to the invention Spring force curve depending on from the respective deflection.

Ein solcher Federkraftverlauf kann durch komlexere Geometrien, wie z.B. geknickte bzw. gekrümmte Stäbe oder mit T-förmigen Federn den Erfordenrnissen angepaßt werden.One such spring force distribution can be achieved by more complex geometries, e.g. kinked or curved rods or with T-shaped Springs are adapted to the requirements.

Die erfindungsgemäßen Mikroaktuatoren können so ausgebildet werden, dass eine Auslenkung über mindestens 1/3, bevorzugt 40% und besonders bevorzugt über 50 eines zur Verfügung stehenden Spaltmaßes möglich ist. Ist eine vergrößerte Auslenkung nicht erforderlich, kann durch Verkleinerung des Spaltmaßes die für die Auslenkung erforderliche elektrische Spannung (ggf. elektrischen Strom) reduziert bzw. bei konstanter elektrischer Spannung die erreichbare Kraft für die Auslenkung erhöht werden. Letztgenannter Effekt kann bei Rückstellelementen mit höherer Federkonstante die Bruchgefahr verringern.The microactuators according to the invention can be formed so that a deflection over at least 1/3, preferably 40% and more preferably over 50 of one available standing gap is possible. Is an enlarged deflection not required, by reducing the gap size for the deflection Required electrical voltage (possibly electric current) reduced or at constant electrical voltage the achievable force for the Deflection increased become. The latter effect can with reset elements with higher spring constant the Reduce the risk of breakage.

Der „pull-in" Effekt tritt entweder nicht bzw. erst bei einer größeren Auslenkung auf.The "pull-in" effect occurs either not or only at a greater deflection on.

Die Rückstellelemente (Federn) können in ihrer Dimensionierung und Gestaltung sowie der Befestigung am auszulenkenden Element variiert und angepasst werden.The Restoring elements (Springs) can in their dimensioning and design as well as the attachment to the element to be varied and adapted.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.following the invention will be explained in more detail by way of example.

Dabei zeigen:there demonstrate:

1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Mikroaktuators; 1 an exploded perspective view of an example of a microactuator according to the invention;

2 in schematischer Form einen eingespannten Biegebalken, der durch eine Kraft nach dem Hooke'schen Gesetz verbogen ist; 2 in schematic form a clamped bending beam bent by a force according to Hooke's Law;

3 in schematischer Form eine eingespannte Saite, die durch eine Kraft ausgelenkt ist und Gegensatz zu 2 keine Biegesteifigkeit aufweist; 3 in schematic form a clamped string, which is deflected by a force and contrary to 2 has no bending stiffness;

4 ein Diagramm von Rückstellkraftverläufen in Abhängigkeit von der Auslenkung für unterschiedliche Federn; 4 a diagram of Rückstellkraftverläufen depending on the deflection for different springs;

5 ein Diagramm erreichbarer elektrostatischer Kräfte bei unterschiedlichen elektrischen Spannungen in Abhängigkeit von der Auslenkung; 5 a diagram of achievable electrostatic forces at different electrical voltages as a function of the deflection;

6 ein Diagramm mit elektrostatischen und Rückstellkräften bei verschiedenen elektrischen Spannungen mit unterschiedlichen Federn in Abhängigkeit von der Auslenkung; 6 a diagram with electrostatic and restoring forces at different electrical voltages with different springs as a function of the deflection;

7 ein Diagramm mit elektrostatischen und Rückstellkräften bei verschiedenen elektrischen Spannungen und unterschiedlichen Federn in Abhängigkeit von der Auslenkung, bei kleinem Spaltmaß am Beginn einer Auslenkung eines auslenkbaren Elementes; 7 a diagram with electrostatic and restoring forces at different electrical span nungen and different springs as a function of the deflection, with a small gap at the beginning of a deflection of a deflectable element;

8 ein weiteres Diagramm für Rückstellelemente mit geringerer Breite; 8th another diagram for return elements with a smaller width;

9 ein weiteres Diagramm für Rückstellelemente mit geringerer Dicke; 9 another diagram for return elements with a smaller thickness;

10 ein Diagramm der erreichbaren Auslenkung in Abhängigkeit der elektrischen Spannung bei unterschiedlichen Federn; 10 a diagram of the achievable deflection as a function of the electrical voltage at different springs;

11 eine perspektivische Darstellung eines auslenkbaren Elementes mit zwei daran angreifenden Federn; 11 a perspective view of a deflectable element with two springs acting thereon;

12 ein Diagramm der relativen Steifigkeit in Abhängigkeit von Knickwinkeln an einem Beispiel nach 11 und 12 a diagram of the relative stiffness as a function of buckling angles using an example 11 and

13 eine perspektivische Explosionsdarstellung von Elementen eines Beispieles für einen erfindungsgemäßen Mikroaktuator. 13 an exploded perspective view of elements of an example of a microactuator according to the invention.

In 1 sind Elemente für ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Mikroaktuator in einer perspektivischen Explosionsdarstellung gezeigt, der als elektrostatischer Parallelplatten-Aktuator mit eingespanntem Biegebalken, als Rückstellelemente 2 ausgebildet ist. Das auslenkbare Element 1 ist hier plattenförmig. Die zwei Federn werden beim Betrieb nicht nur gebogen, sondern auch mit Zugkräften beaufschlagt, also auch gezogen, wenn sie bezüglich der jeweils gewünschten Auslenkbewegung dimensioniert worden sind.In 1 Elements for an example of a microactuator according to the invention are shown in an exploded perspective view, the electrostatic parallel plate actuator with clamped bending beam, as return elements 2 is trained. The deflectable element 1 here is plate-shaped. The two springs are not only bent during operation, but also subjected to tensile forces, so also pulled when they have been dimensioned with respect to the respective desired deflection movement.

Das auslenkbare Element 1 ist hier zumindest an seiner nach oben weisenden Oberfläche reflektierend für elektromagnetische Strahlung und bildet somit einen Spiegel.The deflectable element 1 Here, at least on its upwardly facing surface is reflective of electromagnetic radiation and thus forms a mirror.

Die beiden nach außen weisenden Teile eines eingespannten Biegebalkens, als Rückstellelemente 2 sind in hier horizontaler Richtung breiter, als die nach innen weisenden und an das auslenkbare Element 1 angreifenden Teile. Die nach außen weisenden Teile liegen auf Abstandshaltern 3 auf, so dass zwischen auslenkbarem Element 1 und einer Elektrodenplatte 4 ein definierter Spalt von unter 1 μm bis zu einigen μm Spaltmaß ausgebildet ist.The two outwardly facing parts of a clamped bending beam, as return elements 2 are wider here in the horizontal direction, as the inward pointing and the deflectable element 1 attacking parts. The outward-facing parts lie on spacers 3 on, so that between deflectable element 1 and an electrode plate 4 a defined gap of less than 1 micron to a few microns gap is formed.

Wird nun eine elektrische Spannung zwischen auslenkbarem Element 1 und Elektrodenplatte 3 angelegt, wirkt eine steuerbare elektrostatische Kraft zwischen diesen beiden Elementen 1 und 3, die wiederum zu einer Auslenkung des auslenkbaren Elementes 1 führt, der die Rückstellkräfte der Rückstellelemente 2 entgegenwirken.Will now be an electrical voltage between deflectable element 1 and electrode plate 3 applied, a controllable electrostatic force acts between these two elements 1 and 3 , which in turn leads to a deflection of the deflectable element 1 leads, the restoring forces of the return elements 2 counteract.

Ein stabiles Kräftegleichgewicht kann durch Beeinflussung der elektrostatischen Kräfte in Abhängigkeit der jeweiligen Auslenkung eingehalten werden, in dem elektrische Spannung in Abhängigkeit der gewünschten Auslenkung gesteuert werden. So kann die jeweilige Auslenkung des Elementes 1 exakt eingestellt und falls gewünscht auch zumindest temporär beibehalten werden.A stable equilibrium of forces can be maintained by influencing the electrostatic forces as a function of the respective deflection, in which electrical voltage is controlled as a function of the desired deflection. So can the respective deflection of the element 1 set exactly and if desired, at least temporarily maintained.

In 2 ist eine vereinfachte Seitenansicht der Federelemente 2, ohne auslenkbares Element 1 gezeigt. Bei kleinen Auslenkungen ist die Biegesteifigkeit der Rückstellelemente 2 zumindest annähernd proportional zur Auslenkung. Mit bekanntem E-Modul kann die Federkraft unter Berücksichtigung der Dimensionierung der Rückstellelemente 2 gemäß 2 mit Formel (1) in Abhängigkeit der jeweiligen Auslenkung d berechnet werden. Die Breite b der Rückstellelemente 2 ist dabei in die Zeichnungsebene hinein gerichtet und demzufolge in 2 nicht-dargestellt.In 2 is a simplified side view of the spring elements 2 , without deflectable element 1 shown. For small deflections, the bending stiffness of the restoring elements 2 at least approximately proportional to the deflection. With known modulus of elasticity, the spring force, taking into account the dimensioning of the return elements 2 according to 2 be calculated with formula (1) depending on the respective deflection d. The width b of the reset elements 2 is directed into the plane of the drawing and therefore in 2 not shown.

Für größere Auslenkungen d, also solche die größer als die Dicke a der Rückstellelemente 2, kann die Biegesteifigkeit vernachlässigt werden. Das System verhält sich dann wie eine Saite (string). Mit einer Eigenspannung ohne Auslenkung σ₀ gilt in guter Näherung d « L kann die Federkraft für die Eigenspannung der nicht ausgelenkten Saite gemäß Formel (2) aus 3 berechnet werden.For larger deflections d, ie those greater than the thickness a of the return elements 2 , the flexural rigidity can be neglected. The system then behaves like a string. With a residual stress without deflection σ ₀ , the spring force for the residual stress of the undeflected string according to formula (2) can be approximated 3 be calculated.

Somit wird der progressiv, hier überproportional steigende Kraftverlauf bei größeren Auslenkungen, in diesem Fall mit der dritten Potenz, erreicht.Consequently is the progressive, here disproportionately increasing force curve with larger deflections, in this case with the third power, achieved.

In Realität kann die Dicke a der Rückstellelemente 2 unter Berücksichtigung der Auslenkung nicht ohne weiters vernachlässigt werden, so dass beide Annäherungen sich überlagern und zu progressiv steigenden Rückstellkräften führen.In reality, the thickness a of the return elements 2 taking into account the deflection, it can not be neglected without further ado, so that both approaches overlap and lead to progressively increasing restoring forces.

Zum Beispiel bei einer Dicke a = 1 μm, einer Breite b = 4μm, eine Länge L = 80 μm, E-Modul E = 70 GN/m² und einer Eigenspannung von „Null" zeigt 4 die zwei begrenzenden Annäherungen für die Rückstellkräfte in Abhängigkeit der Auslenkung und zusätzlich auch deren Kombination.For example, with a thickness a = 1 μm, a width b = 4 μm, a length L = 80 μm, modulus E = 70 GN / m ² and an inherent stress of "zero" 4 the two limiting approximations for the restoring forces as a function of the deflection and, in addition, their combination.

Es wird deutlich, dass für große Auslenkungen die Gesamtkraft, wie auch der Anstieg deutlich größer als bei der linearen Annäherung sind.It it becomes clear that for size Deflections the total force, as well as the increase significantly larger than at the linear approach are.

Das in 5 gezeigte Diagramm gibt einen Überblick über elektrostatische Kräfte in Abhängigkeit der Auslenkung bei unterschiedlichen konstanten angelegten elektrischen Spannungen im Bereich von 3 V bis 24 V. Der Spalt zwischen auslenkbarem Element 1 und Elektrodenplatte 3 hatte ein maximales Spaltmaß h = 3 μm. Der ansteigende Kraftverlauf spiegelt die vorangestellten Ausführungen wieder.This in 5 The diagram shown gives an overview of electrostatic forces as a function of the deflection at different constant applied electrical voltages in the range of 3 V to 24 V. The gap between the deflectable element 1 and electrode plate 3 had a maximum gap h = 3 μm. The rising force curve reflects the preceding versions again.

Die Positionen des Kräftegleichgewichts des Mikroaktuators sind dort, wo die elektrostatischen Kräfte in ihrem absoluten Wert mit der jeweiligen Rückstellkraft übereinstimmen. Diese Positionen können aus 6 entnommen werden. Die Kräftegleichgewichtspositionen sind die Punkte an denen der elektrostatische Antriebskraftverlauf den Rückstellkraftverlauf mit ihren jeweiligen absoluten Werten schneiden.The positions of the force equilibrium of the microactuator are where the electrostatic forces in their absolute value coincide with the respective restoring force. These positions can be off 6 be removed. The force equilibrium positions are the points at which the electrostatic drive force curve intersects the restoring force curve with their respective absolute values.

Dabei ist der Anstieg des Kraft-Auslenkungsverlaufes der wesentliche Parameter, der die Stabilität des jeweiligen Arbeitspunktes des Mikroaktuators, also die gewünschte Auslenkposition bestimmt. Die Position des meta-stabilen Kräftegleichgewichts wird dadurch bestimmt, dass der Anstieg des Rückstellkraftverlaufes größer, als der Anstieg des Antriebskraftverlaufes ist. Bereiche in denen der Anstieg des Rückstellkraftverlaufs kleiner, als der Anstieg des Antriebskraftverlaufs ist, sind instabil und es kann dort der „pull-in"-Effekt auftreten.there the increase of the force-deflection curve is the essential parameter, the stability the respective operating point of the microactuator, so the desired deflection position certainly. The position of the meta-stable balance of forces thereby becomes determines that the increase of the restoring force curve is greater than the increase of the driving force curve is. Areas where the Increase in the restoring force curve smaller, as the increase in the driving force curve is unstable and it may have the "pull-in" effect there.

Der stabile Bereich kann bis zu 1,5 μm für einen erfindungsgemäßen Mikroaktuator genutzt werden, was 50 des zur Verfügung stehenden Spaltmaßes ausmacht.Of the stable range can be up to 1.5 microns for one microactuator according to the invention be used, which is 50 of the available gap size.

Ein Mikroaktuator mit Rückstellelementen 2 in Form eingespannter Biegebalken, die das Hooke'sche Gesetz erfüllen, erreicht diesen instabilen Bereich bereits bei 1 μm, also einem Drittel des zur Verfügung stehenden Spaltmaßes.A microactuator with reset elements 2 in the form of clamped bending beams that fulfill Hooke's law, this unstable area already reaches 1 μm, ie one third of the available gap.

Die entscheidende Verbesserung, die mit der Erfindung erreicht werden kann, ist durch die Kombination von linearem und nichtlinearem Rückstellkraftverlauf erreichbar, die vom Gleichgewicht zwischen Rückstellelementen 2 und Auslenkkraft beeinflusst ist. Dimensionierung bzw. -gestaltung und Auslenkung sowie die Festigkeit der Befestigung der Rückstellelemente 2 haben Einfluss auf den nichtlinearen Verlauf.The decisive improvement that can be achieved with the invention is achieved by the combination of linear and nonlinear restoring force curve, the balance of restoring elements 2 and deflecting force is influenced. Dimensioning or design and deflection and the strength of the attachment of the return elements 2 have an influence on the nonlinear course.

Bei den bekannten Lösungen sollen aber Nichtlinearität vermieden werden, da die erforderlichen Antriebskräfte für eine bestimmte Auslenkung größer sind, wenn alle anderen Parameter von Rückstellelementen 2 konstant bleiben.In the known solutions but non-linearity should be avoided because the required driving forces for a given deflection are greater, if all other parameters of reset elements 2 stay constant.

Dies wird mit 6 deutlich gemacht. Rückstellelemente 2 mit linearem Rückstellkraftverlauf sind bei einer elektrischen Spannung von 18 V für eine Auslenkung bis 1 μm geeignet, wobei nichtlineare Rückstellelemente 21 V erfordern.This is with 6 made clear. Restoring elements 2 with a linear restoring force curve are suitable for an excursion of up to 1 μm at an electrical voltage of 18 V, with non-linear restoring elements requiring 21 V.

Ein erfindungsgemäßer Mikroaktuator kann einen größeren Bereich eines zur Verfügung stehenden Spaltmaßes nutzen Bei diesem Beispiel ist der Ausgangsspalt von 3 μm auf 2,6 μm reduziert, so dass auch die erforderliche elektrische Spannung für einen stabilen Betrieb auf 18 V, also die gleiche Spannung für Rückstellelemente 2 mit linearem Rückstellkraftverlauf bei einem Spaltmaß von 3 μm (s. 6), reduziert ist.A microactuator according to the invention can utilize a larger range of available gap dimensions. In this example, the output gap is reduced from 3 .mu.m to 2.6 .mu.m, so that the required electrical voltage for stable operation is also 18 V, ie the same voltage for reset elements 2 with linear restoring force curve with a gap of 3 μm (s. 6 ), is reduced.

Man kann aber auch 7 entnehmen, dass die Auslenkung bei dieser elektrischen Spannung oder die Stabilitätsgrenze bei 1,3 μm im Gegensatz zu 1 μm liegt. Es lässt sich also eine größere Auslenkung auch bei begrenzter elektrischer Spannung realisieren.But you can also 7 It can be seen that the deflection at this voltage or the stability limit is 1.3 μm in contrast to 1 μm. It is thus possible to realize a greater deflection even with limited electrical voltage.

Beim Vergleich der Formeln (1) und (2) wird deutlich, dass die Nichtlinearität ansteigt, wenn das Verhältnis Breite zu Dicke (a/d) kleiner wird. Die vorab genannten Dimensionierungsparameter wurden so gewählt, dass der Unterschied für lineare und nichtlineare Rückstellelemente 2 klar in gleich dimensionierten Diagrammen herausgestellt werden kann.When comparing the formulas (1) and (2), it becomes clear that the non-linearity increases as the width-to-thickness ratio (a / d) becomes smaller. The above-mentioned dimensioning parameters were chosen such that the difference for linear and non-linear reset elements 2 clearly in identically dimensioned diagrams can be highlighted.

Wählt man Beispielsweise eine Dicke a = 0,5 μm und eine Breite d = 7 μm hat ein Rückstellelement 2 noch fast den gleichen Querschnitt. Der Schnittpunkt der Kraftverläufe wird mit 18 V erreicht und das Kräftegleichgewicht liegt bei einer Auslenkung von 1,5 μm. Die Stabilitätsgrenze liegt bei ca. 1,7 μm, was mehr als 50% des zur Verfügung stehenden Spaltmaßes entspricht.For example, if one chooses a thickness a = 0.5 μm and a width d = 7 μm has a return element 2 still almost the same cross section. The point of intersection of the force curves is reached with 18 V and the balance of power is at a deflection of 1.5 microns. The stability limit is approximately 1.7 μm, which corresponds to more than 50% of the available gap.

Bemerkenswert ist es aber auch, dass mit vergrößerter Auslenkung eines ausgelenkten Elementes 1 eine Ver ringerung des Abstandes und demzufolge auch des noch vorhandenen Spaltmaßes auftritt. Dadurch steigt die auslenkende Kraft mit steigender Auslenkung an. Dieser Effekt verstärkt sich mit steigender Auslenkung, so dass der Verlauf einer Auslenkungs- und elektrischen Spannungskennlinie eines Mikroaktuators ebenfalls steil ansteigt. Dies kann dann bis zu einem instabilen Betriebszustand (pull-in) führen. Die Auslenkung ist dann stark von der momentan angelegten elektrischen Spannung abhängig, so dass eine präzise Steuerung der elektrischen Spannung erforderlich ist, was bei kleinen Auslenkungen nicht unbedingt erforderlich ist.But it is also remarkable that with increased deflection of a deflected element 1 a reduction of the distance Ver and therefore also the remaining gap occurs. As a result, the deflecting force increases with increasing deflection. This effect increases with increasing deflection, so that the course of a deflection and electrical voltage characteristic of a microactuator also increases steeply. This can then lead to an unstable operating state (pull-in). The deflection is then strongly dependent on the currently applied electrical voltage, so that a precise control of the electrical voltage is required, which is not absolutely necessary for small deflections.

Mit der Erfindung verbessert sich das Einstellverhalten der Auslenkung, da diese näher an einem linearen Zusammenhang liegt, als bei Federn mit linearer Kennlinie.With the invention improves the adjustment behavior of the deflection, as these are closer in a linear relationship, as with springs with linear Curve.

Mit dem in 10 gezeigten Diagramm kann die Verbesserung des Einstellverhaltens eines eingespannten Biegebalkens nach 4 im Vergleich zu einer nichtlinearen Feder nach 9 verdeutlicht werden.With the in 10 shown diagram, the improvement of the adjustment behavior of a clamped bending beam after 4 compared to a nonlinear spring after 9 be clarified.

Für einige Anwendungen kann aber der zur Verfügung stehende Raum nicht ausreichen, um eine ausreichende Länge L von Rückstellelementen 2 bei möglichst großen Auslenkungen und maximal zulässiger Zugspannung zu ermöglichen (vgl. Formel (3)). Dabei würde sich die Steifigkeit von Rückstellelementen 2 zu sehr erhöhen, so dass eine Auslenkung nicht oder kontraproduktiv nur mit sehr hohen Antriebskräften und entsprechend erhöhter Leistung möglich ist.For some applications, however, the available space may not be sufficient to have a sufficient length L of return elements 2 with the greatest possible deflection and maximum allowable tensile stress (see formula (3)). This would be the rigidity of restoring elements 2 Too much, so that a deflection is not possible or counterproductive only with very high driving forces and correspondingly increased performance.

Dem kann aber entgegengetreten werden, indem die nutzbare Länge von Rückstellelementen 2 vergrößert und die effektive Dehnsteifigkeit verringert wird. Dies kann durch eine nicht gerade Ausbildung von Rückstellelementen 2 erreicht werden. So kann an einem Rückstellelement 2 mindestens ein Knick oder eine Biegung ausgebildet sein.But this can be counteracted by the usable length of reset elements 2 increases and the effective tensile stiffness is reduced. This may be due to a lack of training of reset elements 2 be achieved. So can at a reset element 2 be formed at least one kink or bend.

In 11 ist ein Beispiel mit jeweils zweifacher Abknickung mit stumpfen Knickwinkeln gezeigt. Alternativ können aber auch eine Sinusform oder geringe Abweichungen von einer geraden Gestalt die nutzbare Länge vergrößern, ohne dass zusätzlich Platz/Raum erforderlich wird. Mit einer solchen Ausgestaltung kann die Zugsteifigkeit reduziert werden, da dies einen zusätzlichen Biegemode ermöglicht.In 11 an example is shown with two folds each with blunt kink angles. Alternatively, however, a sinusoidal shape or slight deviations from a straight shape can increase the usable length without additional space / space being required. With such a configuration, the tensile stiffness can be reduced, as this allows an additional bending mode.

In 12 ist gezeigt, dass der Knickwinkel den linearen Anteil des Federkraftverlaufes für Knickwinkel kleiner als 15 ° nur sehr wenig beeinflusst, während der Anteil, der mit der dritten Potenz der Auslenkung anwächst, in einem weiterem Bereich einstellbar ist.In 12 It is shown that the bending angle affects the linear portion of the spring force curve for bending angles smaller than 15 ° only very little, while the proportion that increases with the third power of the deflection, in a wider range is adjustable.

Mit dieser Gestaltungs- und Dimensionierungsmöglichkeit von Rückstellelementen 2 erschließen sich Möglichkeiten für den Einsatz der Erfindung, bei sehr kleinen zur Verfügung stehenden Abmessungen bzw. für eine weitere Miniaturisierung.With this design and dimensioning possibility of reset elements 2 opens up possibilities for the use of the invention, with very small available dimensions or for further miniaturization.

Es sind aber auch weitere Geometrien von Rückstellelementen 2 möglich, mit denen der nichtlineare Anteil der Federsteifigkeit reduziert werden kann. So können beispielsweise Rückstellelemente 2 in T-form eingesetzt werden.But there are also other geometries of reset elements 2 possible, with which the non-linear component of the spring stiffness can be reduced. For example, reset elements 2 be used in T-form.

Mit abgeknickten oder gebogenen Rückstellelementen 2 ist auch die Federkonstante (linearer Anteil) nicht so empfindlich von der Eigenspannung der Federschicht abhängig.With bent or bent return elements 2 is also the spring constant (linear portion) is not so sensitive to the residual stress of the spring layer.

So können beispielsweise Arrays mit Senk-Spiegeln zur Wellenfrontkorrektur von elektromagnetischer Strahlung mit einem Hub von 2 μm und einer Pixelgröße von 40 μm hergestellt werden.So can For example, arrays with sinking mirrors for wave front correction of electromagnetic radiation with a stroke of 2 microns and a Pixel size of 40 microns produced become.

Bei Mikroaktuatoren mit verschwenkbaren, auslenkbaren Elementen 1 ist es beispielsweise bekannt, dass eine stabile Auslenkung (gemessen am Rand eines solchen Elementes) über das gesamte zur Verfügung stehende Spaltmaß möglich ist. Bei diesen Lösungen sind aber große Elektroden und ungünstige Hebelverhältnisse erforderlich, so dass der effektiv für die Auslenkung genützte Bereich eines so ausgelenkten Elementes trotzdem lediglich eine kleinen begrenzten Bereich des zur Verfügung stehenden Spaltmaßes nutzen kannIn microactuators with pivotable, deflectable elements 1 For example, it is known that a stable deflection (measured at the edge of such an element) over the entire available gap size is possible. In these solutions, however, large electrodes and unfavorable leverage ratios are required, so that the effectively utilized for the deflection area of such a deflected element can still use only a small limited range of the available gap dimension

Mit der Erfindung können aber ein größerer Auslenkbereich bei größerer Auslenkkraft und bei gleicher elektrischer Spannung (ggf. elektrischem Strom) oder die gleiche Auslenkkraft bei geringerer elektrischer Spannung (ggf. elektrischem Strom) erreicht werden.With of the invention but a larger deflection range with greater deflection force and at the same electrical voltage (possibly electric current) or the same deflection force with lower electrical voltage (if necessary, electric current) can be achieved.

Ein Beispiel zeigt 13. Dabei verbessert wieder die Nichtlinearität der eingesetzten Rückstellelemente 2 die Eigenschaften. Die Rückstellelemente 2 greifen nicht nahe an der Drehachse an, so dass wieder eine Dehnung zu einem progressiv steigenden Rückstellkraftverlauf führt.An example shows 13 , This again improves the non-linearity of the reset elements used 2 the properties. The reset elements 2 Do not attack close to the axis of rotation, so that again an elongation leads to a progressively increasing restoring force curve.

Die Erfindung verbessert die Eigenschaften von Mikro aktuatoren mit starker positiver Kraftrückkopplung, die den Bereich für eine stabile Nutzung begrenzt. Bei einer positiven Kraftrückkopplung nimmt die für die auslenkende Kraft bei konstanter elektrischer Spannung mit steigender Auslenkung zu.The Invention improves the properties of micro actuators with strong positive force feedback, the area for limited stable use. With a positive force feedback takes the for the deflecting force at constant voltage with rising Deflection too.

Mit der Erfindung ist die Herstellung von verbesserten Mikroaktuatoren, die elektrostatisch oder elektromagnetisch betrieben werden, möglich. Die Auslenkung kann im Wesentlichen parallel zum jeweiligen elektrischen oder elektromagnetischen Feld erfolgen.With the invention is the production of improved microactuators, which are electrostatically or electromagnetically operated, possible. The Deflection may be substantially parallel to the respective electrical or electromagnetic field.

Es ist ein weitaus größerer Bereich zur Auslenkung des zur Verfügung stehenden Spaltes nutzbar.It is a much larger area for the deflection of the available usable gap.

Andererseits kann ein geforderter Auslenkbereich bei kleinerem zur Verfügung stehendem Spaltmaß mit erhöhter Stabilität und mit in einfacher Form hergestellten Mikroaktuatoren abgedeckt werden.on the other hand can a required deflection range with smaller available Gap with increased stability and covered with microactuators made in a simple form become.

Durch ggf. reduzierte elektrische Spannung ggf. elektrischen Strom kann die elektronische Steuerung für den Antrieb vereinfacht werden.By possibly reduced electrical voltage, if necessary, electric current the electronic control for to simplify the drive.

Die erfindungsgemäßen Mikroaktuatoren können dabei mittels herkömmlicher Technologien hergestellt werden. Die verbesserten Eigenschaften können durch die Gestaltung und Dimensionierung der einzelnen Elemente, insbesondere der Rückstellelemente 2, optimiert werden.The microactuators according to the invention can be produced by means of conventional technologies. The improved properties can be achieved by the design and dimensioning of the individual elements, in particular the restoring elements 2 , to be optimized.

Claims

Microactuator with a force-deflectable element, which is held with at least one elastic return element, characterized in that the one or more return element (s) ( 2 ) has at least partially a progressively increasing restoring force characteristic.

Microactuator according to claim 1, characterized in that the one or more return element ( 2 ) one or more spring (s) is / are.

Microactuator according to claim 1 or 2, characterized in that the restoring element (s) ( 2 ) is elastically deformable in different form.

Microactuator according to one of the preceding claims, characterized in that the one or more resetting element (s) ( 2 ) at least partially has a disproportionately increasing restoring force characteristic.

Microactuator according to one of the preceding claims, characterized in that the restoring element (s) ( 2 ) in at least one direction bendable, rotatable, compressible and / or stretchable is / are.

Microactuator according to one of the preceding claims, characterized in that the deflection of the deflectable element ( 1 ) takes place electrostatically, electromagnetically and / or magnetically.

Microactuator according to one of the preceding claims, characterized in that the deflection of the deflectable element ( 1 ) takes place parallel to an electric, magnetic or electromagnetic field.

Microactuator according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the off-steering translated.

Microactuator according to one of the preceding claims, characterized in that the deflection takes place rotationally or the deflectable element ( 1 ) is tiltable.

Microactuator according to one of the preceding claims, characterized in that the restoring element (s) ( 2 ) is designed as a rod or leaf spring is / are.

Microactuator according to one of the preceding claims, characterized characterized in that rod or leaf spring (s) along its longitudinal axis kinked and / or bent is / are.

Microactuator according to one of the preceding claims, characterized in that the restoring element (s) ( 2 ) is designed as a T-shaped spring / are.

Microactuator according to one of the preceding claims, characterized in that the deflectable element ( 2 ) is metastable over at least 1/3 of an available gap measure.

Microactuator according to one of the preceding claims, characterized in that the deflectable element ( 1 ) at least one reflective surface is present.